Vidensmål i videnskabsfaget fysik
Videnskabsfaget fysiks genstandsfelt kan kort formuleres som den uorganiske naturs
grundlæggende strukturer og entiteter. Og videnskabsfagets vidensmål er (om muligt) at fremsætte og formulere en teori, som en samlet forklaring og beskrivelse af den uorganiske natur mest fundamentale strukturer og entiteter. Vidensmål i videnskabsfaget fysik er således i høj grad forklarende og beskrivende og søger at formulere årsagsforklaringer og er således ikke fortolkende. (At forklare et fænomen i moderne fysik er netop at finde virkningsårsager til fænomenerne) Desuden er faget i høj grad nomotetisk og har med undtagelse af beskrivelsen verdens skabelse ingen ideografisk karakter.
Mere konkret kan genstandsfeltet beskrives ved hjælp af videnskabsfagets discipliner, som vi kender dem i dag. Mekanikken, der generelt beskriver legemers bevægelse i tid og rum, blev udviklet fra det 14. til det 18. århundrede med Galileis og
Newtons arbejde som de to store milepæle. Siden er termodynamikken og elektrodynamikken kommet til i det 19. århundrede og relativitetsteorien og
kvantemekanikken i det 20. århundrede. Ud fra denne meget korte skitsering
af videnskabfagets genstandsfelts udvikling kan feltet beskrives som
elementarpartikler, højhastighedsfænomener, elektromagnetiske fænomener,
varmefænomener og legemers bevægelser. De ovennævnte teorier er slet ikke udsat for nogen konkurrence fra andre teorier og faget er således i høj grad monoparadigmatisk.
Metoder i videnskabsfaget fysik.
Denne udlægning af fysikkens genstandsfelt og vidensmål er jo ikke direkte forkert men ej heller ikke særlig udtømmende. Den kan eksempelvis ikke svare på, hvorfor kemien og naturgeografiens genstandsfelt og vidensmål ikke hører ind under fysikken. Et svar er, at disse fag har ideografiske aspekter og at disse fag desuden ikke har til formål at lave en universel, men derimod kontekstafhængige forklaringer og beskrivelser.
Et andet svar ligger i videnskabsfaget fysiks metoder. Der er dog en fælles karakteristik for de fysiske discipliner, som udelukker andre naturvidenskaber, nemlig anvendeligheden af en matematisk-eksperimentel
metode på disse områder af naturen. Samspillet mellem teori og eksperimenter (primært udført i laboratorier), der leder til kvantitative/matematiske modeller, som ikke blot beskriver, men også forklarer og forudser naturfænomener, er essensen i metoderne i videnskabsfaget fysik og betinger også fysikfagets genstandsfelt. Alt i naturen, der lader sig undersøge med fysikkens metoder, kommer i princippet ind under fysikkens genstandsfelt.
Samspillet mellem teori, model og eksperimenter kommer først klart
til udtryk i Galileis arbejde. Han er ikke den første til at beskrive naturfænomener
ud fra kvantitative-matematiske modeller. Det gjorde allerede pythagoræerne
med deres matematiske beskrivelse af lyreinstrumentets
strengelængder og toner. Systematisk eksperimentelt arbejde var desuden også
lavet før af blandt andre Tycho Brahe og den teoretiske indgang til naturen
kendetegner de ioniske naturfilosoffers brud med mytiske og religiøse
forklaringer af naturfænomener allerede i den 6. århundrede før
vor tidsregning. Galileis arbejde var banebrydende, idet han knyttede
disse tre tilgange tæt til hinanden. Ud fra teoretiske idealiseringer af eksempelvis
det frie fald og pendulbevægelser opstillede han kvantitative
modeller eksperimentelt der kunne undersøges og systematisk.
Samspillet mellem teori, model og eksperimenter er ikke så simpelt eller
entydigt som det kommer til udtryk i denne fremstilling af Galileis arbejde.
Der er ikke tale om, at viden produceret i fysik kun beror på induktiv, hypotetisk
deduktiv eller en helt tredje metode. Fysikkens metode kan altså ikke blot opfattes som et induktiv arbejde, hvor empiri indsamles og lovmæssigheder formuleres eller et hypotetisk-deduktivt arbejde, hvor en hypotese formuleres ud fra teoretiske overvejelser og ud fra hypotesen deduceres herefter empiriske konsekvenser af hypotesen. Der er ikke en metode og ofte skiftes der i samme arbejde mellem forskellige metoder.
Fysik er dog særegent i og med, at faget er meget teoritungt og dermed er de teoristyrede idealiseringer (kvantitative-matematiske modeller) udgangspunktet i undersøgelse af naturfænomener, hvilket gør arbejdet deduktivt; først opstilles modeller ud fra teoretiske betragtninger og idealiseringer, dernæst afprøves og
justeres modellerne i det eksperimentelle arbejde. Men det er som
nævnt ikke altid, at fysikkens love formuleres ud fra et ønske om at forklare
fænomener. De formuleres også ud fra ønsket om (som første skridt i en undersøgelse) blot at beskrive fænomenerne. Således er Keplers videre arbejde med Mars’ baneform af beskrivende karakter. Videnskabsfaget fysiks undersøgelser er således både af hypotesetestende og eksplorativ karakter.
Metoder i gymnasiefaget fysik.
Metoderne i gymnasiefaget fysik genspejler i høj grad videnskabsfaget fysiks metoder. Det eksperimentelle arbejde og formulering og anvendelse matematiske modeller beskrives således i læreplanens faglige mål. Om det eksperimentelle arbejde står der at eleverne skal ” … kunne tilrettelægge, beskrive og udføre fysiske eksperimenter til undersøgelse af en åben problemstilling” og ”… kunne behandle eksperimentelle data med henblik på at diskutere matematiske sammenhænge mellem fysiske størrelser.” Disse matematiske sammenhænge er sagt med andre ord naturlove og modeller. Der lægges i læreplanen op til et tæt sammenspil mellem det eksperimentelle arbejde og brugen af modeller, idet eleven skal ”… – kunne analysere et fysikfagligt problem ud fra forskellige repræsentationer af data og formulere en løsning af det gennem brug af en relevant model.” Endelig er der også fokus på modellernes centrale rolle i kravet om, at eleven skal desuden ifølge læreplanen ”… kende, kunne opstille og kunne anvende et bredt udvalg af modeller til en kvalitativ eller kvantitativ forklaring af fysiske fænomener samt kunne diskutere modellers gyldighedsområde.” I undervisningsvejledningen lægges der ligeledes vægt på det eksperimentelle arbejde og arbejdet med matematiske modeller, der formuleret som en empirikompetence og en modelleringskompetence. Disse to kompetencer udgør sammen med en repræsentationskompetence og en perspektiveringskompetence, det der i undervisningsvejledningen karakteriseres som gymnasiefaget fysiks nøglekompetencer.
Inddragelsen af de to sidstnævnte kompetencer gør, at undervisningsfaget adskiller sig fra videnskabsfaget. Perspektiveringskompetence er nemlig metafaglig og indebærer, at eleven skal kunne belyse faget ud fra samfundsmæssige, historiske og filosofiske aspekter. Den såkaldte repræsentationskompetence vægter elevens evner til at kunne anvende dele af allerede eksisterende teorier til at forklare naturfænomener og teknologiske fænomener samt at kunne anvende og forstå faglige termer.